煤卸荷过程中声发射特征及综合破坏前兆分析

为探究煤破坏全过程的声发射(acoustic emission,简称AE)特征及破坏前兆信息,利用MTS815岩石力学试验系统和PCI-2型声发射监测系统,对不同初始围压下煤样的卸荷破坏进行声发射试验,得到煤在卸荷过程中AE特征的围压效应及基于声发射的多参数综合破坏前兆信息。结果表明:煤的承载能力随着初始围压的上升明显提高。煤在变形破坏过程中的AE时序参数、空间分布演化特征和振幅分布均与其所处力学状态契合良好,部分AE参数在煤样变形破坏过程中产生明显突变:AE空间分布演化2次突变点对应的应力水平分别为55%和80%;能量率突变点对应的应力水平为87%;振铃计数率的突变点大致对应其峰值应力;振幅和b值的峰值分别对应峰后89%和78%左右的应力水平。根据突变点对应变形破坏阶段的不同,将其综合分为4组,作为煤卸荷破坏的前兆信息,为采用AE监测技术预防开挖过程中的动力灾害事故提供参考。     

含瓦斯型煤破坏临界慢化前兆特征研究

针对煤岩破坏前兆信号的有效性,开展了等效围压下的含瓦斯型煤加载试验,采集了加载破坏过程中的声发射信号,基于临界慢化原理计算了声发射计数-时间序列的方差和自相关系数,分析了煤样破坏的前兆信号.结果表明:等效围压下,含瓦斯煤在压缩破裂过程中,声发射累计计数随时间的响应经历了初始活跃期、稳定增长期、加速增长期和峰后衰减期;不同围压-孔隙压力下煤样压缩破裂声发射特征均存在临界慢化现象,声发射计数序列的方差和自相关系数在煤样破坏前均出现了增大并持续增加的趋势,可以作为煤样破坏的前兆信号.相比声发射累计计数所表征的前兆信号,缩短了前兆信号与破坏点之间的时间差,前兆信号对应的载荷也更接近试样所能承受的最大载荷,更加表明试样确实进入危险破裂阶段.     

煤卸荷过程中声发射特征及综合破坏前兆分析（研究生论坛稿件）

为探究煤破坏全过程的声发射（Acoustic Emission,简称AE）特征及破坏前兆信息,利用MTS815岩石力学试验系统和PCI-2型声发射监测系统,对不同初始围压下煤样的卸荷破坏进行声发射试验,得到了煤在卸荷过程中AE特征的围压效应及基于声发射的多参数综合破坏前兆信息。结果表明：煤的承载能力随着初始围压的上升明显提高;煤在变形破坏过程中的AE时序参数、空间分布演化特征和振幅分布均与其所处力学状态契合良好,部分AE参数在煤样变形破坏过程中产生明显突变：AE空间分布演化的两次突变点对应的应力水平分别为55%和80%,能量率的突变点对应的应力水平为87%,振铃计数率的突变点大致对应其峰值应力,振幅和b值的峰值分别对应峰后89%和78%左右的应力水平;根据突变点对应变形破坏阶段的不同,将其综合分为四组,作为煤卸荷破坏的前兆信息,为采用AE监测技术预防开挖过程中的动力灾害事故提供参考。     

顶板岩石受压破坏过程中声电热效应研究

利用煤岩破坏声电热效应多参量实验系统,测试研究了岩样变形破坏过程中声发射、表面电位和红外辐射的变化规律及特征.结果表明:岩样破坏的红外辐射异常信号出现在温度曲线的极大值或极小值点,并且和声电异常信号有一定的对应关系,但不完全同步.岩样受载过程中红外辐射温度曲线呈现典型的降转升型;试样破坏时,岩样平均红外辐射温度增量为0.1~0.3℃,最高红外辐射温度增量为1.07~2.09℃;由声发射、表面电位和红外辐射测试结果反映出的试样损伤前兆点对应的载荷比范围分别为23.0%~52.6%,26.8%~56.2%和36.9%~49.2%,反映出的临界前兆点对应的载荷比范围分别为73.5%~88.7%,77.0%~94.8%和73.6%~95.8%.     

煤岩卸荷变形损伤及声发射特性

深部开采引起的煤岩卸荷损伤破坏的机理与连续加载机理不同,从卸荷的角度研究煤岩动力灾害成为研究煤岩动力灾害问题的一个新的发展方向。利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHSPCI-2声发射检测系统,对煤岩卸荷变形损伤及声发射特性进行了研究。研究表明,煤岩卸荷破坏表现为强烈的脆性破坏,且具有突发性,多呈张剪复合型破坏形式;煤岩卸荷的累积声发射振铃计数演化曲线可反映煤岩卸荷损伤的演化过程;煤岩卸荷破坏过程可分为3个阶段：损伤弱化阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段;在煤岩开采过程中,围压被卸除,煤岩体迅速进入到煤岩卸荷损伤破坏的第3阶段,损伤迅速累积并发生突发性断裂破坏,煤岩动力灾害随即发生。     

不同煤厚煤岩组合体破裂过程声发射特征研究

为了研究煤岩组合体中煤厚对其破裂过程声发射特征的影响规律,以神东矿区布尔台煤矿基本顶粉砂岩和煤岩组合体试样为研究对象,采用DS5-8 b声发射监测系统对粉砂岩及煤岩组合体破裂过程中的声发射参数进行监测.结果表明:煤岩组合体中煤厚对其破裂过程中的声发射特征有影响,声发射峰值计数与煤厚呈负相关关系,声发射累计计数与煤厚呈正相关关系;与粉砂岩的声发射峰值计数及累计计数相比,煤岩组合体中的煤厚为5,10,15,20 mm时,峰值计数分别降低了50.8％,65.8％,74.4％,79.8％,累计计数分别增大了98.8％,354.2％,374.7％,516.9％;首波峰值信号强度和首波持续时间与煤岩组合体中煤厚均呈正相关关系,而峰前波形持续时间与煤岩组合体中煤厚呈负相关关系.研究成果可为神东矿区冲击地压灾害防治提供前兆信息.     

顶板岩层诱发冲击的冲能原理及其应用研究

针对顶板岩层对煤体冲击的影响作用机理,采用实验室物理模拟试验、UDEC 4.0离散元数值模拟试验、理论分析和工程实践验证这4种方法进行了研究,提出了煤岩冲击破坏和顶板岩层诱发冲击的冲能原理以及冲击破坏判别准则,并在工程实践中进行了应用和验证.根据煤岩冲击破坏动能试验和煤岩破坏的应力-应变曲线能量演化规律分析结果,具有冲击倾向性的煤岩样在载荷作用下破坏时将产生强烈震动和脆性冲击型破坏,破碎的煤块具有一定的初始动能并以一定的初速度脱离煤体,把这些煤岩样冲击破坏时碎块冲出的动能定义为该煤岩样的冲能,即冲出的能量,从而建立了煤岩冲击破坏的"冲能原理"和"冲能判别准则".通过岩板断裂震动物理模拟试验和数值模拟试验研究,得到顶板断裂过程中可产生强烈震动冲击载荷、致使煤岩破坏时的冲能、冲击危险性升高的研究结果;顶板断裂震动持续时间与顶板厚度呈线性关系,对煤体的震动损伤与顶板厚度呈乘幂关系,从极限悬顶长度的一半开始,煤体的冲击危险性显著升高,顶板岩层释放的能量与岩层强度呈对数关系;岩层运动产生的动能和释放的总能量分别与顶板厚度呈指数和乘幂关系.将顶板岩层诱发冲击矿压的机理分为处于稳定态岩层的"稳态诱冲机理"和处于运动态岩层的"动态诱冲机理"2种类型,岩层的"稳态诱冲机理"是指当顶板岩层不发生大规模破断或滑移垮落时,由岩层内部储存的弹性能的突然释放而导致的煤体冲击机理,稳态诱冲机理研究确定了影响煤岩破坏的2个重要初始参量--煤体的应力基数P.和能量基数U.,应力基数决定了破坏的条件,能量基数决定了破坏时释放能量的大小."动态诱冲机理"是指由顶板岩层发生大规模破断或滑移垮落产生的强烈震动和释放的大量冲击能等动载荷导致的煤体冲击破坏机理,分析了顶板岩层断裂和滑移的震动特性,坚硬厚层项板岩层在诱冲方面的作用主要表现在以较高频率的冲击载荷方式对煤体造成损伤;稳态岩层和动态岩层在诱发煤体冲击的时候都以动态的形式释放能量并参与到煤体破坏时的冲能当中,在满足冲能判别准则的情况下均可诱发冲击矿压,由此形成"顶板岩层诱发冲击矿压的冲能原理".基于岩体介质中能量传播规律和岩层影响冲击危险性的不同程度,提出了岩层影响下的煤体冲击危险"诱冲关键层"判别准则和诱冲关键层的判断方法,按照传播至煤体能量的大小给出了岩层的诱冲系数点Kb=E'k/Er0.和对应的能量值,用来表征岩层诱发冲击矿压的可能性大小.2个具有冲击危险的煤矿通过控制顶板岩层和控制煤体以降低"岩层-煤体"系统冲能进行冲击矿压防治的工程实践验证了本文关于"项板岩层诱发冲击矿压的冲能原理"研究结果的实用性与可靠性.     

冲击矿压危险性评价的地音法

岩石的声发射与岩石在载茶作用下的破坏程度有关,声发射的较在张持续时间长说明同岩体平衡状态的变化和危险性的变化－－危险性增加或降低。根据此原理可对冲击矿压危险性进行评价和预报,冲击矿压危险性评价及预报指标可选用８个与开采有关的参数,根据这些参数的偏差值,来预报冲击矿压的危险,进而提出了冲击矿压危险性评价及预报的地音法,实践证明,这种方法可靠、有效。     

煤岩动力灾害声电协同监测技术及预警应用

为了提高煤岩动力灾害预测的准确性和可靠性,提出了声电协同监测技术,将电磁辐射和声发射进行融合,优势互补,开展了受载煤岩声电监测同步性测试及分析,开发了相应的监测系统及软件,并在采掘现场进行了监测及预警应用实践.结果表明:实验室和采掘现场不同尺度的煤岩声电信号同步性及相关性很好;采掘现场有煤岩动力灾害危险前,声发射和电磁辐射信号开始出现异常变化,且两者对危险响应的同步性很好,特别在临灾阶段,声、电信号在异常幅度和时域上的一致性变得更加明显;声电协同监测技术及系统,能够实现对冲击地压等动力灾害危险的实时监测及提前自动预警,与单方法相比,可靠性更高.     

岩石变形特征和声发射特征的三轴试验研究

通过常规三轴压缩试验研究了花岗岩破坏全过程的变形特征和声发射特征,分析了围压对岩石变形特征和声发射特征的影响,结果表明岩石声发射特征与变形特征紧密相关 .因此,可以利用岩石声发射现象缓慢增加阶段作为判断岩石弹性变形阶段,从而确定岩石的弹性极限,利用岩石声发射现象急剧增加阶段的起点判断岩石的破坏前兆.     

坚硬顶板型冲击矿压灾害防治研究

针对兖州矿区济三煤矿6303工作面的冲击矿压问题，分析了冲击矿压发生的主要原因及影响因素．根据现场条件和数值模拟分析，提出了采用顶板爆破解除冲击矿压危险的技术措施，并确定了爆破参数．采用矿用钻孔窥视仪并配合电磁辐射法和钻屑法对爆破进行了效果检验．结果表明，通过顶板爆破措施可以破坏工作面上方坚硬厚层砂岩顶板的完整性，提前释放顶板聚集的弹性能，减弱和消除了工作面的冲击矿压危险，胜，保证了工作面的安全生产．现场实践证明，该项技术对具有坚硬顶板型冲击矿压的防治效果明显．     

三河尖煤矿坚硬顶板对冲击矿压的影响分析

顶板岩层结构，特别是煤层上方坚硬、厚层砂岩顶板是影响冲击矿压发生的主要因素之一。通过实验研究、现场实测、冲击矿压现象分析，说明了顶板坚硬岩层，特别是顶板的关键层运动、破断对冲击矿压的发生有巨大的影响，掌握顶板的运动规律，并对其进行监测，可达到预测预报冲击矿压危险的目的。     

电磁辐射法预测煤与瓦斯突出原理

研究了瓦斯对电磁辐射（ＥＭＥ）的影响规律及影响机制,对电磁辐射法预测煤与瓦斯突出原理进行了探讨,研究结果表明：煤体变形破裂时,电磁辐射与煤岩体的载荷及变形破裂过程密切相关,煤体中的瓦斯能使电磁辐射增强,瓦斯在煤体中的流动及冲击能产生电磁辐射;电磁辐射强度和脉冲数两项指标综合反映了工作面丧方煤体的突出危险程度,用电磁辐射法预测预报煤与瓦斯突出是可行的,煤岩电磁辐射技术在预测煤与瓦斯突出和冲击地压等方     

煤岩动力灾害的弱化控制机理及其实践

煤岩动力灾害的实质是能量积聚与耗散的自组织临界过程，当煤岩体中所积聚的弹性能达到其极限冲击能时，就会发生冲击矿压．实验室研究发现，弹脆性煤体是能量积聚与耗散的主体，顶板关键层（坚硬厚层砂岩顶板）的运移则会导致能量积聚与耗散，加速失去动态平衡．以煤岩冲击倾向性与顶板强度及厚度的关系为基础，依据能量积聚与耗散理论，提出了煤岩动力灾害的强度弱化机理，即通过钻孔卸压与深孔卸压爆破来弱化煤岩体的强度，降低煤岩体的聚能能力，释放煤岩体中所积聚的大量弹性能，使得煤岩体中所积聚的弹性能达不到最小冲击能，同时利用电磁辐射监测仪来检验煤岩体强度弱化治理的效果，以达到消除或降低冲击危险的目的．通过在三河尖煤矿9202高冲击危险工作面的生产实践，充分证明了这种技术的有效性．     

济二矿首例孤岛综放面冲击矿压监测治理

孤岛综放工作面及其周围巷道附近应力集中程度高，顶板运动剧烈，再加上地质构造的影响，采深较大时，很容易引发冲击矿压．孤岛工作面冲击矿压危险检测预报及控制的技术可事先分析冲击危险程度，并提出早期预报．本采用电磁辐射和钻屑法进行及时预报；应用卸压爆破进行处理，并采用电磁辐射和钻屑法检验防治措施的效果．实践证明，这套技术安全、可靠、有效，能够保证工作面的安全高效生产．     

Prevention and forecasting of rock burst hazards in coal mines

Rock bursts signify extreme behavior in coal mine strata and severely threaten the safety of the lives of miners, as well as the effectiveness and productivity of miners. In our study, an elastic-plastic-brittle model for the deformation and failure of coal/rock was established through theoretical analyses, laboratory experiments and field testing, simulation and other means, which perfectly predict sudden and delayed rock bursts. Based on electromagnetic emission (EME), acoustic emission (AE) and microseism (MS) effects in the process from deformation until impact rupture of coal-rock combination samples, a multi-parameter identification of premonitory technology was formed, largely depending on these three forms of emission. Thus a system of classification for forecasting rock bursts in space and time was established. We have presented the intensity weakening theory for rock bursts and a strong-soft-strong (3S) structural model for controlling the impact on rock surrounding roadways, with the objective of laying a theoretical foundation and establishing references for parameters for the weakening control of rock bursts. For the purpose of prevention, key technical parameters of directional hydraulic fracturing are revealed. Based on these results, as well as those from deep-hole controlled blasting in coal seams and rock, integrated control techniques were established and anti-impact hydraulic props, suitable for roadways subject to hazards from rockbursts have also been developed. These technologies have been widely used in most coal mines in China, subject to these hazards and have achieved remarkable economic and social benefits.     

Study of electromagnetic characteristics of stress distribution and sudden changes in the mining of gob-surrounded coal face

The incidence of dynamic coal or rock disasters is closely related to the distribution of stress in the surrounding rock. Our experiments show that electromagnetic radiation (EMR) signals are related to the state of stress of a coal body. The higher the stress, the more intense the deformation and fractures of a coal body and the stronger the EMR signals. EMR signals reflect the degrees of concentrated stress of a coal body and danger of a rock burst. We selected EMR intensity as the test index of the No.237 gob-surrounded coal face in the Nanshan coal mine. We tested the EMR characteristics of the stress distribution on the strike, on the incline and in the interior of the coal body. The EMR rule of rock bursts, caused by sudden changes in stress, is analyzed. Our re-search shows that EMR technology can be not only used to test qualitatively the stress distribution of the surrounding rock, but also to predict a possible occurrence of rock burst. Based on this, effective distress measures are used to eliminate or at least weaken the incidence of rock bursts. We hope that safety in coalmines will be enhanced.     

Correlation of electromagnetic radiation emitted from coal or rock to supporting resistance

More accurate forecasting of rock burst might be possible from observations of electromagnetic radiation emitted in the mine. We analyzed experimental observations and field data from the Muchengjian coal mine to study the relationship between electromagnetic radiation signal intensity and stress during the fracturing of coal, or rock, and samples under load. The results show that the signal intensity is positively correlated with stress. In addition, we investigated the change in the electromagnetic radiation intensity, the supporting resistance in a real coal mine environment, and the coal or rock stress in the mining area. The data analysis indicates that: 1) electromagnetic radiation intensity can accurately reflect the distribution of stress in the mining area; and, 2) there is a correlation between electromagnetic radiation intensity and supporting resistance. The research has some practical guiding significance for rock burst forecasting and for the prevention of accidents in coal mines.     

深部巷道岩爆预测及防治技术

岩爆是煤矿进入深部开采后出现的一种自然灾害之一，通过对深部巷道岩爆预测和防治技术的研究，控制或消除岩爆对矿井安全生产构成的危害，从而实现安全生产的目的．通过对平煤集团十二矿发生岩爆现象的统计分析、电磁辐射法预测预报岩爆危险性可行性、爆破卸压解危措施效果等多方面的研究，提出了岩爆的预测预报方法及防治措施，并在现场进行了工业性试验．通过现场的应用证明了电磁辐射法对岩爆的危险性进行评价及预测预报、爆破卸压措施防治岩爆发生是可行、有效的．